果膠復合酶的生產及其在亞麻脫膠中的應用

田英華 劉曉蘭 鄭喜群

文章介紹了以黑曲霉HYA4為菌種,采用固體發酵方法生產果膠復合酶的方法。通過測定脫膠過程中果膠酶、半纖維素酶活力及脫膠周期,確定脫膠的適宜條件。工藝優化后脫膠周期可縮短至 22 h,麻莖失重率與溫水脫膠的相當,脫膠液可重復利用 4 次。

This article discussed the production of the pectin compound enzyme by solid state fermentation with aspergillus niger HYA4. By detecting the activity of pectinase and hemicellulase and the retting-period, the optimal retting-condition was determined. Under these optimal conditions, the retting-period can be reduced to 22 h, the weight-decreasing ratio was the same as the natural-retting, and the enzyme liquor could be recycled by four times.

亞麻是重要的紡織原料作物,亞麻纖維制品吸濕散熱快、透氣性好、挺括,廣泛用于服裝服飾等行業,頗受消費者的喜愛。然而亞麻脫膠是一個復雜的生物化學過程,不僅僅是果膠物質的部分分解,還伴隨著半纖維素、木質素等其他非纖維物質的部分降解,麻纖維的優良性能是否得到充分發揮,與其脫膠好壞有著直接的關系。脫膠效果對單纖維理化性能、紡紗工藝和成紗質量以及織物風格、服用性能等都有十分重要的意義。由于傳統的亞麻脫膠方法存在脫膠周期長、對環境污染嚴重以及纖維品質不穩定等弊端,人們一直努力尋找現行亞麻脫膠的替代方法。將微生物產生的酶類應用于亞麻脫膠,可以改善纖維的品質、縮短脫膠周期、減少廢水排放量,具有廣闊的應用前景。20世紀80年代以來,國外學者開發了用于亞麻脫膠的復合酶,但由于生產成本過高及纖維強力損失較大等原因,至今仍處于實驗室研究階段。我國對亞麻脫膠研究起步較晚,目前的研究主要集中在細菌脫膠方面,但細菌脫膠培養條件較嚴格、操作繁瑣,很難實現工業化生產。本文對黑曲霉生產的果膠復合酶用于亞麻脫膠的工藝進行了探討。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料

亞麻:由黑龍江省金鼎亞麻紡織集團提供;漚麻用水:取自嫩江;菌種:黑曲霉HYA4由齊齊哈爾大學生命科學與工程學院生化工程實驗室保藏;主要試劑:果膠和木聚糖為sigma公司產品。

1.2實驗方法

(1)培養基及培養條件

① 斜面活化培養基:PDA培養基,去皮馬鈴薯 200 g,切成小塊,加 1 000 mL水煮沸 30 min,雙層紗布過濾成清液;加水至 1 000 mL,然后加入瓊脂 20 g,葡萄糖 20 g完全溶解,pH值自然。② 固體發酵產酶培養基:麩皮 10 g,豆粕 2.5%,NaNO3 3.5%,(NH4)2SO4 1.0%,加水量 10 mL,121 ℃滅菌 20 min。③ 培養條件:250 mL三角瓶裝料 10 g,起始pH值 5.0 ～ 5.5,培養溫度 32 ℃,培養時間為 96 h。

(2)脫膠用粗酶液的制備

固體發酵后向培養基中以 1∶25(w/v干曲)加入江水,室溫浸提 3 h,8 層紗布過濾即得粗酶液。

(3)亞麻的酶法脫膠

① 亞麻脫膠方法:將亞麻原莖剪成長 20 cm的莖段,稱取 150 g,加入自制脫膠瓶中,自來水浸泡 8 h,取出麻莖淋出水分,按浴比 1∶10 加入粗酶液,36 ℃恒溫靜止脫膠。② 脫膠液重復利用的方法:將固體發酵浸提所得粗酶液用于脫膠,至脫膠終點時取出麻莖,剩余脫膠液全部用于下一批次脫膠,不足量以江水補充,循環使用。

(4)酶活力的測定,采用 3,5 – 二硝基水楊酸法(DNS法)。

(5)脫膠終點的判斷:采用抽莖法。

(6)脫膠后麻莖失重率的計算(重量差法)。

2結果與討論

2.1天然溫水脫膠過程中酶活力的變化

果膠和半纖維素是亞麻脫膠的主攻對象,脫膠液中果膠酶、半纖維素酶活力的高低直接影響亞麻脫膠周期和打成麻的質量。對天然溫水脫膠過程中果膠酶和半纖維素酶活力進行測定,結果如圖 1。

由圖 1 可見,天然溫水脫膠液中果膠酶的活性較高,而半纖維素酶活力較低。果膠酶活性呈現出由低到高再逐漸降低的變化趨勢,脫膠 60 h時達最高值,然后緩慢下降。而半纖維素酶的活力卻呈很緩慢的增長趨勢。天然水脫膠后麻莖失重率為 14.2%。

在脫膠初期,麻莖韌皮部中水溶性果膠物質首先被分解,使得半纖維素也逐漸暴露出來,對半纖維素酶產生菌有一定的誘導作用,導致其酶活力逐漸增強;隨著脫膠的進行,半纖維素的降解反過來又在一定程度上增加了果膠酶與果膠類膠質的接觸面積,促進了果膠物質的分解。到了脫膠末期,隨著麻莖中果膠含量的減少以及脫膠液的環境條件不利于產果膠酶菌株的生長,果膠酶活性呈現出下降趨勢。

在脫膠過程中果膠酶為主要的脫膠酶,半纖維素酶起一定的促進作用,二者共同作用最后麻莖膠質被逐漸脫除。

2.2適宜加酶量的確定

分別以 1∶25(加酶量A)和 1∶50(加酶量B)(w/v干曲)向固體發酵后的培養基中加入江水,浸提所得酶液用于脫膠。36 ℃靜止脫膠,每隔 4 h測定脫膠液的果膠酶和半纖維素酶活力并判斷麻莖的脫膠程度,結果如圖 2。

由圖 2 可見,加酶量A的脫膠終點時間為 24 h,比天然水脫膠周期縮短了 80%。隨著脫膠的進行,果膠酶和半纖維素酶活力均呈現下降趨勢。至脫膠終點果膠酶活力下降了 42%;半纖維素酶活在脫膠開始后 8 h內迅速降低了 86.5%,而后基本維持不變直至脫膠終點。加酶量A脫膠后麻莖失重率為 13.68%。加酶量B的脫膠終點時間為 34 h,比天然水脫膠縮短了近 70%。與加酶量A不同,在加酶量B的脫膠過程中,果膠酶和半纖維素酶活力呈現由高到低然后再回升的趨勢,其原因可能是隨著脫膠時間的延長,麻莖和水源中的天然微生物產生了一定量的果膠酶和半纖維素酶,彌補了損失的酶活力。加酶量B脫膠后麻莖失重率為 14.16%。

由以上比較可見,加酶量大,即隨著脫膠液中酶活力的提高,亞麻莖中膠質被分解的速度加快,脫膠周期由 34 h(加酶量B)縮短至 24 h(加酶量A)。但加酶量大,在脫膠過程中酶活力的損失也越大,脫膠成本增加。因此,在實際應用中要確定適宜的加酶量還要依據生產成本等因素進行綜合考慮。以下實驗均采用加酶量A。

2.3酶液適宜初始pH值的確定

采用初始pH值為 4、5、6、7 的酶液分別進行亞麻脫膠。果膠酶活力的變化如圖 3,酶液初始pH值對果膠酶活力的影響不大,果膠酶活力變化趨勢基本保持一致。

酶液初始pH值對半纖維素酶活力影響較大,如圖 4 所示,隨酶液初始pH值的升高,酶活力降低幅度趨緩。

初始pH值對麻莖失重率及脫膠周期的影響見表 1,由表 1 可見,酶液初始pH值為 6 ～ 7 時,脫膠周期最短,為 22 h;pH值為 7 時的麻莖失重率最大,為 14.07%。因此,選擇pH值 6 ～ 7 作為適宜的酶液初始pH值。

2.4適宜脫膠溫度的確定

溫度對脫膠效果的影響是影響酶反應速度和使酶失活兩方面的綜合。采用固體發酵所得粗酶液,浴比 1∶10,在28、32、36、40 ℃條件下分別進行亞麻脫膠,結果如圖 5 和圖 6。由圖可見,溫度對酶活力的影響較為顯著,隨著溫度的升高酶活力下降幅度加大。

溫度對麻莖失重率及脫膠周期的影響見表 2。失重率受溫度的影響較小,而脫膠周期受溫度的影響較大。溫度過高或過低均不利于脫膠,因此選擇 36 ℃作為適宜脫膠溫度。

2.5脫膠液重復利用對脫膠效果的影響

將酶液重復使用進行脫膠實驗,結果如圖 7 所示。可見,果膠酶活力在前 3 次脫膠過程中呈逐漸下降的趨勢,至第 3 次脫膠終點酶活力降至最小值,僅為脫膠開始時的 32.34%。此后,隨著第 4 次脫膠開始,果膠酶活力開始緩慢上升,在 36 h左右升至 46.37%,然后逐步下降直到第 4 次脫膠終點。第 4 次脫膠結束時脫膠液中的果膠酶活力仍比天然水脫膠中的高得多,但脫膠液已經相當混濁、異臭味較大。在脫膠液重復利用過程中半纖維素酶活力下降幅度較大,特別是第 2 次脫膠過程中下降了近 90%,在第 4 次脫膠中半纖維素酶活力幾乎為 0。

麻莖失重率和脫膠周期結果見表 3。可見,隨著脫膠液重復利用次數增加,麻莖失重率下降,脫膠周期延長。其原因可能是隨著脫膠液中酶的失活、微生物量的增長以及有機物濃度的加大,對菌體生長及酶促反應均產生了負面影響。

3結論

(1)以黑曲霉HYA4為菌種,采用固體發酵方法生產亞麻脫膠用果膠復合酶,可在一定程度上解決酶制劑脫膠成本過高的問題。

(2)固體發酵后以 1∶25(w/v干曲)加入江水浸提培養基,所得酶液用于脫膠,酶液適宜初始pH值為 6 ～ 7,浴比 1∶10,適宜脫膠溫度為 36 ℃,脫膠周期可縮短至 22 h,與溫水脫膠相比縮短了約 82%;麻莖失重率與溫水脫膠的相當。

(3)脫膠液可重復利用 4 次,第 4 次脫膠周期為 65 h。第 4 次脫膠后脫膠液渾濁,異臭味大,但果膠酶活力仍較高。對脫膠液的重復利用方面還需作進一步的探索。

參考文獻(略)